Une découverte scientifique réalisée par une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l’Université de São Paulo (USP) a révélé une méthode sans précédent pour détecter les étoiles qui ont consumé leurs planètes. Le processus innovant repose sur l’identification des changements dans la quantité de béryllium, un élément chimique relativement peu présent, promettant une nouvelle approche pour comprendre le développement des systèmes planétaires.
L’étude, récemment publiée dans la revue Astronomy & Astrophysics, a porté sur une paire d’étoiles de type solaire, désignées HD 129171 et HD 129209. Ces étoiles, qui ont des caractéristiques similaires à celles de notre Soleil en termes d’activité physique, chimique et magnétique, forment un système binaire.
On s’attendait initialement à ce que les étoiles binaires, nées au même moment du même nuage moléculaire, aient des compositions chimiques presque identiques. Cependant, les scientifiques ont observé des différences notables entre les deux.
Découverte d’une méthode innovante de suivi des étoiles
L’étoile HD 129171 a démontré un niveau élevé d’éléments réfractaires, ceux qui se condensent normalement à l’état solide et forment des planètes rocheuses. Anne Rathsam, doctorante à l’Institut d’astronomie, de géophysique et des sciences atmosphériques (IAG-USP) et auteur principal de l’article, a déclaré que cette découverte indique fortement l’ingestion de matière planétaire le long de la trajectoire évolutive de l’étoile.
Bien que la possibilité que certaines étoiles incorporent des planètes ou leurs fragments avait déjà été envisagée, la grande contribution de ces travaux est de prouver, pour la première fois, que la variation de l’abondance du béryllium dans les étoiles binaires peut servir d’indicateur fidèle de ce phénomène.
Le rôle essentiel du béryllium dans l’identification des événements cosmiques
Le béryllium se distingue par le fait qu’il n’est pas produit dans le noyau stellaire au cours de la vie d’une étoile. Ainsi, sa détection dans la lumière émise par une étoile agit comme un signe d’avertissement, soulignant que l’étoile a absorbé des matériaux rocheux, tels que des restes de planètes, longtemps après sa formation initiale.
Les chercheurs précisent que le lithium, le béryllium et le bore représentent une particularité dans la composition chimique de l’univers. Alors que d’autres éléments chimiques proviennent de la nucléosynthèse primordiale ou stellaire, le béryllium et le bore sont créés principalement par un processus appelé « spallation cosmique ». Dans celui-ci, les particules à haute énergie désintègrent les noyaux plus denses, tels que le carbone, l’azote et l’oxygène, générant des éléments plus légers.
Le lithium, bien qu’il provienne également principalement de la spallation – avec une part minime provenant de la nucléosynthèse primordiale et d’une production rare dans des types spécifiques d’étoiles – était auparavant utilisé comme marqueur possible de l’engloutissement planétaire. Rathsam souligne cependant que le béryllium est plus durable, ce qui permet à sa signature chimique de persister plus longtemps.
Des observations détaillées révèlent l’ingestion de matière planétaire
Pour mener à bien la recherche, l’équipe a utilisé les données du spectrographe UVES, un instrument installé sur le Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire européen austral (ESO), situé au Chili. Cet équipement de haute précision est capable de décomposer la lumière des étoiles en différentes longueurs d’onde, permettant ainsi l’identification de signatures chimiques extrêmement subtiles.
Les résultats des observations ont montré que HD 129171 contient une quantité significativement plus élevée d’éléments réfractaires, tels que le fer, le magnésium, le silicium, le calcium et le titane, par rapport à son compagnon HD 129209. De plus, cette étoile présente des excès de lithium et de béryllium. Selon les scientifiques, la tendance observée est cohérente avec l’absorption de matériaux rocheux équivalents à plus de 11 fois la masse de la Terre.
Rathsam a expliqué que l’origine de ce matériau pourrait provenir soit d’une seule grande planète, soit de la somme de plusieurs corps plus petits. Cependant, dans les étoiles similaires au Soleil, le mélange interne est si efficace que la signature chimique finale ne permet pas de différencier ces deux scénarios.
Dynamique violente des systèmes stellaires et rareté de la stabilité
Bien que l’analyse chimique soit la principale contribution originale de l’étude, avec l’élection du béryllium comme marqueur de l’engloutissement planétaire, les auteurs ont également exploré les mécanismes dynamiques qui peuvent conduire les planètes à être absorbées par leurs étoiles hôtes. Ces mécanismes incluent les interactions gravitationnelles entre les planètes, les perturbations causées par les étoiles compagnes et les processus de migration orbitale. Ces facteurs peuvent entraîner des orbites extrêmement excentriques et instables, conduisant à l’éjection de planètes, à des collisions entre elles ou à leur éventuelle absorption par l’étoile centrale.
Une conclusion cruciale de la recherche suggère la possible rareté des systèmes stables, comme notre système solaire. Jorge Luis Melendez Moreno, professeur à l’IAG-USP et conseiller de l’étude, note que plusieurs éléments de preuve indépendants corroborent cette hypothèse. Les simulations informatiques de la formation planétaire indiquent que des configurations similaires à celles du système solaire – avec des géantes gazeuses sur des orbites extérieures presque circulaires et des planètes rocheuses sur des orbites intérieures stables – ne sont pas fréquentes. De plus, des études d’observation d’étoiles semblables au Soleil ont révélé peu d’analogues de Jupiter sur des orbites comparables à notre géante gazeuse.
Melendez souligne que, lors de l’analyse des données de simulations dynamiques, d’observations d’exoplanètes et d’études chimiques d’étoiles binaires, un scénario cohérent émerge, suggérant que des systèmes comme le Solaire pourraient être moins courants qu’on ne l’imaginait auparavant. Cela implique que la stabilité orbitale, cruciale pour la persistance d’environnements habitables pendant des milliards d’années, pourrait constituer une rare exception, améliorant ainsi la compréhension des conditions nécessaires à l’évolution de la vie complexe dans l’univers.
Implications pour la formation des étoiles et la recherche d’une vie complexe
Melendez ajoute que les systèmes binaires sont largement présents dans la Voie Lactée, et des estimations indiquent qu’environ la moitié des étoiles de la galaxie ont un compagnon gravitationnel. Comme les deux étoiles d’un système binaire se forment simultanément et à partir du même nuage moléculaire, les différences chimiques observées entre elles constituent une forte indication que des processus ultérieurs, tels que l’ingestion de planètes, ont modifié leur composition originale.
Rathsam souligne que même si les planètes de notre système ont des orbites relativement stables et à faible excentricité, la fréquence d’engloutissement planétaire suggère que de nombreux systèmes stellaires traversent des phases dynamiques turbulentes. Une telle instabilité, souligne-t-elle, a des implications directes sur l’existence d’une vie complexe. Pour que la vie puisse non seulement émerger et évoluer sur des milliards d’années, mais aussi prospérer, une planète doit maintenir une orbite suffisamment stable, protégée des perturbations gravitationnelles importantes.
En plus d’apporter un nouvel éclairage sur l’évolution des systèmes planétaires, l’étude impacte également les théories de la formation des étoiles et la technique connue sous le nom de « marquage chimique », utilisée pour reconstituer l’histoire de la Voie lactée à partir de la composition chimique des étoiles.
Si les variations chimiques observées dans les étoiles binaires provenaient d’hétérogénéités du nuage primordial qui les a générées, une révision des modèles actuels de formation d’étoiles serait nécessaire. Les résultats obtenus par l’équipe renforcent cependant l’hypothèse d’une ingestion planétaire.
La recherche a bénéficié de la participation de scientifiques de l’USP, de l’Académie polonaise des sciences, de l’Académie chinoise des sciences, de l’Université Monash, en Australie, et des observatoires astronomiques italiens, avec le soutien financier de la Fapesp à travers un projet thématique coordonné par Melendez.